Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr

Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia placc cr

Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm bê tông hạt mịn

Bê tông cốt thép, ra đời từ giữa thế kỷ 19, vẫn là vật liệu chính trong xây dựng, giao thông và thủy lợi Tuy nhiên, nhiều công trình hiện nay đang xuống cấp do ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là hiện tượng ăn mòn cốt thép, gây hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép, nhất là ở những công trình gần biển.

Các công trình giao thông và thủy lợi ở Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là bê tông và bê tông cốt thép, thường bị xuống cấp sau một thời gian sử dụng Những công trình như trụ cầu, dầm cầu, cống thủy lợi và đê biển chịu tác động mạnh mẽ từ môi trường, dẫn đến sự ăn mòn bê tông và cốt thép, gây hư hỏng kết cấu và thiệt hại kinh tế lớn.

Trong môi trường biển với khí hậu nóng ẩm và hàm lượng ion Cl- cao, bê tông cốt thép dễ bị ăn mòn và hư hại nhanh chóng, đặc biệt ở khu vực ven biển và nơi có nước lên xuống Tốc độ ăn mòn có thể khiến các công trình, mặc dù tuổi thọ thiết kế lên đến 30 năm, bị hư hỏng nặng chỉ sau 10-25 năm sử dụng Chi phí sửa chữa và khắc phục hư hỏng có thể chiếm từ 30-70% tổng mức đầu tư xây dựng công trình.

Trong những năm tới, Việt Nam sẽ chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các công trình hiện đại, đặc biệt là những dự án được xây dựng dưới biển và trong môi trường biển Để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe nhằm đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho các công trình này, việc sử dụng các loại bê tông đặc biệt là điều cần thiết.

Sử dụng bê tông chất lượng cao cho các công trình thủy lợi và công trình biển là điều cần thiết, nhằm đảm bảo cường độ và tính bền vững trong môi trường xâm thực Điều này đóng vai trò quan trọng trong ngành xây dựng, giúp tăng cường độ bền của các công trình trước tác động của môi trường.

Bê tông chất lượng cao là một thế hệ bê tông mới với các phẩm chất cải tiến, thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu và kết cấu xây dựng Loại bê tông này không chỉ có cường độ chịu nén vượt trội, mà còn sở hữu nhiều tính năng ưu việt khác, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền cho các công trình xây dựng.

Bê tông chất lượng cao được gọi tắc là theo người Anh là HPC (Hinh Perfomace concretes), theo người Pháp là BHP (BETONS A HAUTE PERORMANCES)

Bê tông chất lượng cao (HPC) được sản xuất với N/X gần 0,25 và sử dụng phụ gia siêu mịn như tro nhẹ hoặc muội silic siêu mịn Loại bê tông này có cường độ chịu nén lên đến 80 hoặc 100 MPa, đồng thời sở hữu các đặc tính vật lý và cơ học vượt trội, mang lại độ bền cao và tuổi thọ khai thác lên tới 100 năm.

Hình 1 1 Công trình giao thông (nguồn: Internet)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 1924 tại Hội nghị hàng hải Quốc tế, đã có nhiều nghiên cứu về ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường Vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận, đặc biệt về bản chất của sự ăn mòn Các yếu tố xâm thực tác động theo nhiều cơ chế khác nhau, khiến quá trình ăn mòn diễn ra chậm và các kết quả thí nghiệm nhanh thường không phản ánh đúng thực tế Để hiểu rõ hơn về sự ăn mòn của bê tông và bê tông cốt thép, nước ta đã tiến hành khảo sát nhiều công trình thực tế bị hư hỏng.

Theo Odd E.Gjorv trong tài liệu [3], nhiều khảo sát chất lượng các công trình biển ở Na Uy cho thấy nguyên nhân chủ yếu gây hư hỏng là do rỉ cốt thép Tuy nhiên, một số kết cấu sau 70 đến 80 năm sử dụng vẫn duy trì tình trạng tốt nếu được thiết kế hợp lý và thi công chính xác.

Năm 1980, K Mehta đã trình bày báo cáo tại hội nghị khoa học đầu tiên về độ bền lâu của công trình biển ở New Brunswick, trong đó trích dẫn kết quả khảo sát thực tế trên nhiều công trình đã tồn tại từ 60 đến 100 năm trong môi trường biển Kết quả cho thấy hư hỏng chủ yếu do ăn mòn cốt thép, đặc biệt là ở vùng nước lên xuống Ngoài ra, bê tông cũng xuất hiện hiện tượng mềm hóa.

Hình 1 2 Công trình cầu cảng (nguồn: Internet)

Khi hàm lượng xi măng thấp, bê tông có thể gặp phải tình trạng nứt bề mặt, chủ yếu do phản ứng kiềm-silic hoặc các nguyên nhân khác Trong bê tông lâu năm ở môi trường biển, có sự xuất hiện của các sản phẩm ăn mòn như aragonite, brucite, ettringite và magnesium silicate hydrate Tuy nhiên, một số công trình bê tông vẫn duy trì được chất lượng cao sau 70 năm sử dụng ở biển, mặc dù được chế tạo từ xi măng poóclăng với hàm lượng C3A lên tới 14,9%.

Tại hội nghị khoa học về công trình biển lần thứ 2 vào năm 1988, K Mehta đã trình bày thêm nhiều dẫn chứng về hiện tượng ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển, cho thấy bản chất của hiện tượng này không khác biệt so với các nghiên cứu trước đó.

Tại Nga, nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu V.M Moskvin cho rằng công trình của Vica về nguyên nhân hóa học gây phá hủy và biện pháp nâng cao khả năng chống ăn mòn của chất kết dính rắn trong nước là nghiên cứu đầu tiên về ăn mòn Vào đầu thế kỷ XX, các kỹ sư nổi tiếng như A.R Shuliachenko và V.I Charnomski đã khảo sát bê tông tại các hải cảng châu Âu và Nga, nhận định rằng xi măng poóclăng không thể tạo ra bê tông cốt thép bền vững trong môi trường biển, với tuổi thọ chỉ từ 20 đến 30 năm Nghiên cứu về bê tông trong ngành công nghiệp cũng được thực hiện, trong đó A.A Bajkov đã phân tích nguyên nhân ăn mòn và biện pháp chống ăn mòn Kavatosi đã giới thiệu phụ gia tổng hợp siêu dẻo (Furylacol - Ca(NO3)2) để chế tạo vữa bền trong môi trường xâm thực muối, trong khi G.Bachacốp đã công bố những phát hiện quan trọng khác.

5 sử dụng dầu nhựa thông với hàm lƣợng 0,15% để chế tạo vữa và bê tông có khả năng chống ăn mòn cao

Nghiên cứu chỉ ra rằng nguyên nhân chính gây ra ăn mòn trong các công trình xây dựng là do sản phẩm thủy hóa của xi măng bị hòa tan trong môi trường hoặc phản ứng với muối và axit, tạo ra các hợp chất có tính tan cao hoặc gây nở thể tích, dẫn đến phá hủy kết cấu nội bộ Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra hiệu quả của các biện pháp chống ăn mòn như sử dụng phụ gia vô cơ hoạt tính và xi măng đặc biệt Tuy nhiên, vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh nguyên nhân gây ăn mòn và giới hạn độ bền của bê tông và bê tông cốt thép trong các môi trường này.

Hình 1 3 Hình ảnh hƣ hại do quá trình ăn mòn ở USA (nguồn: Internet)

Hình 1 4 Hình ảnh hƣ hại do quá trình ăn mòn ở Nhật Bản (nguồn: Internet)

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam đã bị ăn mòn và phá hoại sau một thời gian sử dụng trong môi trường có tính chất ăn mòn Điều này yêu cầu áp dụng các biện pháp phòng ngừa nhằm hạn chế sự ăn mòn của các kết cấu này Để giải quyết vấn đề này, nhà nước đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 3993:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng”.

Vị trí nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cho bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia PLACC-CR” tiếp nối

10 các công trình nghiên cứu về công nghệ bê tông hạt mịn dùng cho các công trình biển

Nghiên cứu cơ chế ăn mòn của bê tông hạt mịn dưới tác động của môi trường biển Đánh giá thực tế ứng dụng vào trong công trình biển.

Nhiệm vụ của đề tài

Xác định thành phần cấp phối và các đặc trƣng cơ lý bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR

Xác định sự thay đổi cường độ chịu nén, hao hụt khối lượng mẫu của bê tông hạt mịn kết hợp phụ gia PLACC-CR và mẫu so sánh.

Phương pháp thí nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết về khả năng tăng cường chống ăn mòn của bê tông hạt mịn được kết hợp với các thí nghiệm thực nghiệm Sau đó, tiến hành thực hiện các thí nghiệm thực tế để so sánh và đánh giá kết quả thu được.

Công nghệ bê tông hạt mịn

Bê tông chất lượng bê tông cao (HPC) là một loại bê tông mới, được định nghĩa là bê tông có cường độ nén vượt quá 60 MPa sau 28 ngày HPC được cải tiến với thành phần hỗn hợp cốt liệu và vữa chất kết dính, sử dụng các sản phẩm đặc biệt như chất siêu dẻo và muội silic, cùng với các khoáng siêu mịn như tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, tro trấu và Mêta cao lanh.

Hình 2 1 Công trình xây dựng hiện đại (nguồn: Internet)

Tro bay là sản phẩm hạt mịn thu được từ quá trình đốt than khô dạng bột trong các thiết bị năng lượng hiện đại Trong quá trình này, than được đưa vào vùng nhiệt độ cao, làm nóng chảy các thành phần của nó, sau đó chuyển sang vùng nhiệt độ thấp hơn và đóng rắn thành các hạt hình cầu Một số khoáng chất cũng được tích tụ thành tro ở đáy thiết bị.

12 phần lớn khí thải được thoát ra ngoài qua ống khói và sau đó được thu gom bởi thiết bị lọc bụi tĩnh điện Sản phẩm này được sử dụng để chế tạo bê tông cường độ cao Hạt tạo thành có hình dạng cầu, kích thước dao động từ 1-100 µm, nhưng chủ yếu có kích thước nhỏ hơn 20 µm.

Tro bay là một loại Puzzolan nhân tạo, chủ yếu chứa các oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), canxi oxit (CaO) và magie oxit (MgO) Đặc điểm quan trọng của tro bay là kích thước hạt nhỏ, với đường kính từ 1μm đến 20μm, và độ mịn càng cao thì khả năng phản ứng càng tốt Hàm lượng than chưa cháy (MKN) trong tro bay không được vượt quá 5% khối lượng Tro bay được hình thành từ quá trình đốt than trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện, sau đó các hạt bụi được thu hồi qua các ống khói bằng phương pháp kết sương tĩnh điện hoặc máy thu chuyên dụng bằng phương pháp lốc xoáy.

Tro bay chủ yếu là các hợp chất silicat, bao gồm các oxit kim loại như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, và CaO Hàm lượng than chưa cháy trong tro bay chỉ chiếm một phần nhỏ, bên cạnh đó còn chứa một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, và Zn Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than đá được sử dụng và điều kiện đốt cháy tại các nhà máy nhiệt điện.

Phần lớn các hạt tro bay có bề mặt tương đối nhẵn, trơn trượt nên tro bay tương đối trơ về mặt hóa học

Hạt tro bay chủ yếu có hình dạng cầu với kích thước khác nhau, trong đó các hạt lớn thường có hình dạng đa dạng và dạng bọc Chúng được phân chia thành hai loại: hạt đặc và hạt rỗng Hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là hạt đặc, trong khi hạt tro bay hình cầu có bên trong rỗng và tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm³ được gọi là hạt rỗng Các hợp chất thường gặp trong tro bay bao gồm tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, cùng với các hợp chất thủy tinh như oxit silic và các oxit khác.

Hạt tro bay đặc với khối lượng riêng từ 2,0 - 2,5 g/cm³ có khả năng cải thiện độ cứng và độ bền xé của vật liệu nền Trong khi đó, hạt tro bay rỗng có thể được ứng dụng trong việc tổng hợp vật liệu bê tông.

Các hạt siêu nhẹ có khối lượng riêng rất nhỏ, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm³, trong khi khối lượng riêng của các chất nền kim loại khác dao động từ 1,6 đến 11,0 g/cm³ Những hạt này thường xuất hiện với lớp vỏ không hoàn chỉnh, có hiện tượng rỗ.

Oxit silic tương tác với đá vôi trong quá trình hydrat hóa xi măng, tạo ra hợp chất kết dính bền vững gọi là CSH (canxi oxit silic hydrat) Cơ chế hoạt động của khoáng siêu mịn đóng vai trò quan trọng trong sự kết hợp giữa xi măng và nước, góp phần nâng cao độ bền của vật liệu xây dựng.

Hai loại phản ứng hóa học là hydraulic và puzolan:

XM+H2O  CSH + CH (không bền H20)

Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của hạt xi măng và độ rỗng trong gel đá xi măng được thể hiện qua kích thước hạt của phụ gia khoáng siêu mịn Việc sử dụng phụ gia này giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của vật liệu, đồng thời tối ưu hóa cấu trúc bê tông Kích thước hạt nhỏ hơn cho phép lấp đầy các khoảng trống, tăng cường khả năng kết dính và giảm thiểu độ rỗng trong bê tông.

Hình 2 2 Quá trình hình thành thể C-S-H (nguồn: Internet)

Theo tiêu chuẩn ASTM 618, thành phần và tỉ lệ hóa học của tro bay được phân loại thành hai loại chính: loại F và loại C Tro bay loại F có hàm lượng CaO dưới 6% và carbon chưa cháy chiếm hơn 2%, mang tính chất puzzolan nhưng không có khả năng tự đóng rắn Trong khi đó, tro bay loại C có hàm lượng CaO trên 15% và carbon chưa cháy dưới 1%, không chỉ có tính chất puzzolan mà còn có khả năng tự đóng rắn giống như xi măng.

Tính chất hóa học của tro bay phụ thuộc vào thành phần của than đốt (than non, bitaum hoặc than đá thông thường) Tuy nhiên, không phải tất cả

Có 14 loại tro bay đạt tiêu chuẩn ASTM 618, nhưng kích thước hạt và thành phần hóa của chúng thường xuyên thay đổi do hiệu suất hoạt động của nhà máy than và lò hơi Để đảm bảo hàm lượng hóa chất phù hợp với tiêu chuẩn ASTM 618, các nhà máy nhiệt điện đốt than cần có thêm các nhà máy xử lý tro bay.

Tro bay được thu gom từ các nhà máy nhiệt điện hoặc cơ sở đốt than đá cần được bảo quản cẩn thận để đảm bảo chất lượng và các chỉ tiêu đặc trưng Việc tránh tiếp xúc với ánh nắng mặt trời và môi trường ẩm ướt là rất quan trọng, vì những yếu tố này có thể làm hỏng và thay đổi tính chất của tro bay Để tiện lợi cho quá trình sử dụng trong việc trộn vữa gạch, tro bay trong các bao tải lớn sẽ được chia nhỏ vào nhiều bao ni-lông và cất giữ gọn gàng trong thùng.

Bảng 2.1: Thành phần vật lý của tro bay

Thành phần vật lý thí nghiệm

Hàm lƣợng lọt sàng 0.05 mm (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 28 ngày (%)

Chỉ số hoạt tính cường độ sau 7 ngày (%)

Lƣợng mất sau khi nung (g) Tiêu chuẩn áp dụng

Bảng 2.2:Thành phần hóa học của tro bay

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, tro bay ngày càng được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong ngành vật liệu xây dựng.

- Ứng dụng tro bay làm phụ gia trong sản xuất bê tông đầm lăn

Sử dụng tro bay làm phụ gia bê tông có thể tăng độ bền của bê tông từ 1,5 đến 2 lần, đồng thời cải thiện độ nhớt của vữa, giúp bê tông dễ dàng thẩm thấu vào các khe lỗ Tro bay còn giúp khử vôi tự do CaO trong xi măng, thành phần gây “nổ” và làm giảm chất lượng bê tông trong môi trường nước Ngoài ra, việc sử dụng tro bay không chỉ tăng cường độ bền và kéo dài tuổi thọ công trình mà còn có thể giảm chi phí lên đến 30% và giảm 10% lượng nước cần thiết trong quá trình trộn bê tông.

- Ứng dụng trong ngành sản xuất xi măng

Cơ sở lý thuyết ăn mòn trong bê tông trong môi trường nước biển

2.2.1 Điều kiện môi trường biển

Môi trường biển chủ yếu bao gồm môi trường biển và môi trường không khí trên biển Môi trường biển bao gồm các đặc trương sau đây:

Không khí biển bao gồm khí quyển mặt biển và ảnh hưởng của nó lên đất liền, với các yếu tố xâm thực như Cl-, CO2, NO3, NH3, SO3, HCl, H2S, và HF Nghiên cứu cho thấy Cl- là nguyên nhân chính gây hư hại cho các công trình bê tông cốt thép và thép Nồng độ các chất trong không khí biển thay đổi tùy thuộc vào vị trí và điều kiện khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió Theo một tác giả Nhật Bản, khí hậu biển tại Okinawa có thể được chia thành ba vùng khác nhau.

+ Vùng 1: từ mép nước tới 250 m có hàm lượng muối sa lắng theo NaCl khoảng 0,3 mg NaCl/ dm 2 / ngày đêm

+ Vùng 2: từ 250 m đến 1000 m trung bình 0,02 mg NaCl/ dm 2 / ngày đêm

+ Vùng 3: từ 1000 m đến 10 Km hàm lƣợng muối còn rất ít

Phân loại này cũng gần nhƣ phân loại của Úc ( AS 3600): 0-1 km là vùng ven biển, 1-50 km là vùng cận biển, trên 50 km là nội địa

Việt Nam nằm trong vành nội chí tuyến với bức xạ mặt trời cao, khoảng 100-150 kCal/cm² và nhiệt độ trung bình từ 22,5-27,5°C Những yếu tố này thúc đẩy bốc hơi nước, làm tăng nồng độ Cl- trong khí quyển Cụ thể, nồng độ Cl- trong không khí biển ở miền Bắc Việt Nam trung bình là 0,67 mg/m³, trong khi ở miền Nam là 1,2 mg/m³ Nồng độ này giảm mạnh ở độ sâu 200m (còn khoảng 50%) và đến 1000m chỉ còn khoảng 30% Tuy nhiên, nồng độ Cl- cũng phụ thuộc vào tốc độ gió và địa hình, một số khu vực cách biển đến 20 km hoặc cao hơn vẫn chịu ảnh hưởng của không khí biển.

Vùng biển Việt Nam kéo dài hơn 3200 km, từ 80 đến 240 Vĩ Bắc Dựa vào tính chất xâm thực của môi trường biển và vị trí của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), ảnh hưởng của môi trường biển Việt Nam có thể được phân chia thành các vùng nhỏ với ranh giới rõ ràng.

+ Vùng ngập nước biển: bao gồm các bộ phận kết cấu ngập hoàn toàn trong nước biển

Vùng nước lên xuống, bao gồm cả phần sóng táp, là khu vực có các bộ phận kết cấu hoạt động giữa mực nước thủy triều thấp nhất và cao nhất, đồng thời chịu tác động của sóng.

Vùng khí quyển trên biển và ven biển bao gồm các cấu trúc hoạt động trong không khí, trải dài từ vùng biển cho đến sâu trong đất liền khoảng 20 km.

Hình 2 6 Hình phân vùng môi trường biển Việt Nam [8]

2.2.2 Thành phần hóa học của nước biển

Nước biển chứa khoảng 3,5% muối tan theo khối lượng, tương đương với 35 gam muối trong mỗi 1kg nước biển Thành phần hóa học của muối trong nước biển chủ yếu bao gồm các ion.

Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl - , SO 4 2- với hàm lƣợng trung bình đƣợc giới thiệu trong bảng 2.5 Thành phần nước biển ở Việt Nam và một số quốc gia như ở bảng 2.6

Bảng 2.5 Thành phần các ion hóa học chủ yếu có trong nước biển

Bảng 2 6: Thành phần hóa học của nước biển Việt Nam và trên thế giới

Chỉ tiêu Đơn vị Vùng biển

Nước biển không chỉ chứa các muối tan mà còn có một số khí như O2, CO2 và H2S, tùy thuộc vào vị trí địa lý và khí hậu của từng vùng biển Những khí này có thể hòa tan trong nước hoặc bị cuốn vào lớp nước gần bề mặt không khí, và chúng ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình hóa học và điện hóa Điều này dẫn đến hiện tượng ăn mòn các cấu trúc bê tông và bê tông cốt thép.

Nước biển chứa khoảng 3,5% muối hòa tan, bao gồm 2,73% NaCl, 0,32% MgCl2, 0,22% MgSO4, 0,13% CaSO4, 0,02% KHCO3 cùng với một lượng nhỏ CO2 và O2 Ngoài ra, nước biển còn chứa các hợp chất hóa học như nitrit, nitrat, photphat, silicdioxit và các loại muối bromua, iodua Độ pH của nước biển khoảng 8,0.

Bảng 2.7: Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt Nam

Mùa đông Mùa hè năm

Hòn Gai 30,8 31,5 31,6 32,2 30,8 29,3 30,9 Hòn Dấu 25,3 28,1 28,1 17,1 11,9 10,9 21,2 Văn Lý 25,9 18,3 29,3 31,8 31,3 31,7 17,4

Nước biển Việt Nam có thành phần hóa học và độ mặn tương tự như nước biển ở nhiều quốc gia khác trên thế giới Tuy nhiên, ở khu vực ven bờ, độ mặn có sự suy giảm do ảnh hưởng từ nước của một số con sông lớn đổ ra biển.

2.2.3 Nguyên nhân gây ăn mòn bê tông trong môi trường biển

Trong môi trường biển và ven biển, bê tông trong các công trình xây dựng, giao thông và thủy lợi đối mặt với nguy cơ ăn mòn cao Hiện tượng này thường xảy ra mạnh mẽ ở những kết cấu tiếp xúc với gió biển hoặc thường xuyên chịu tác động của mưa gió và độ ẩm Ngược lại, các kết cấu khô ráo và không bị ẩm ướt thường ít bị hư hỏng do ăn mòn hơn.

Các công trình thủy lợi bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép được xây dựng trong môi trường biển hoặc vùng ven biển, phải đối mặt với những tác động xâm thực từ môi trường Những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bền vững của các công trình này bao gồm: sóng biển, thủy triều, dòng chảy và các yếu tố hóa học trong nước biển.

- Các yếu tố hóa học: Nước biển có chứa các ion khác nhau của các loại muối

- Các yếu tố biến động của nước biển và thời tiết: Nước thủy triều lên xuống nên một số bộ phận bị khô ẩm liên tiếp

- Các yếu tố vật lý: Nhiệt độ biến đổi

Các yếu tố cơ học như sóng và xói mòn có tác động mạnh mẽ đến bề mặt bê tông, đặc biệt là trong các công trình thủy lợi bằng bê tông và bê tông cốt thép tại môi trường biển và ven biển Sự phối hợp của các yếu tố này dẫn đến quá trình ăn mòn nghiêm trọng, với một số dạng ăn mòn chính cần được xem xét.

- Ăn mòn hóa học bê tông trong nước biển

- Ăn mòn cốt thép trong vùng không khí biển và vùng thủy triều lên xuống

- Ăn mòn bê tông do vi sinh vật biển

Các vi sinh vật trong nước biển có khả năng tiết ra hợp chất hóa học, gây ăn mòn bê tông qua cơ chế hóa học Ăn mòn hóa học của bê tông và cốt thép trong môi trường thủy triều lên xuống là dạng ăn mòn phổ biến và nghiêm trọng nhất, ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ các công trình bê tông cốt thép Đối với các công trình vượt biển như cầu, cảng, và kè, quá trình ăn mòn kết cấu có thể xảy ra ở ba vùng chính khác nhau.

- Vùng thường xuyên ngập nước: chủ yếu xảy ra ăn mòn hóa học và ăn mòn vi sinh ở mức độ nhỏ đối với bê tông

Vùng thủy triều là nơi xảy ra nhiều quá trình ăn mòn, bao gồm ăn mòn hóa học và vi sinh đối với bê tông, cũng như ăn mòn cốt thép Tại đây, các tác động phá hủy vật lý, va đập và mài mòn cơ học cũng diễn ra, gây ảnh hưởng đáng kể đến độ bền và tuổi thọ của các công trình xây dựng.

Vùng không khí biển, chứa các muối phân tán, gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép, dẫn đến nứt nẻ và phá hoại lớp bê tông bảo vệ Môi trường biển chính là một môi trường hóa học đầy thách thức cho các công trình xây dựng.

Hình 2.7 Hình kết cấu bị xâm thực ngoài môi trường tự nhiên (nguồn: Internet)

2.2.4 Cơ chế quá trình ăn mòn trong môi trường biển

2.2.4.1 Ăn mòn kết cấu bê tông trong môi trường biển theo cơ chế vật lý

Nguyên vật liệu

Bê tông HPC yêu cầu các chỉ tiêu vật liệu nghiêm ngặt hơn so với bê tông thông thường theo tiêu chuẩn ASTM Các thành phần chính bao gồm xi măng, vật liệu khoáng siêu mịn như tro bay và Silicafume, nước, cốt liệu nhỏ và thô, cùng với các hợp chất phụ gia hóa học như phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR.

Lượng tro bay sử dụng trong thay thế xi măng pooc lăng phụ thuộc vào loại tro Đối với tro bay cấp F, khuyến nghị sử dụng từ 15 đến 25% xi măng, trong khi tro bay cấp C nên được sử dụng từ 20 đến 35% xi măng.

Tro bay sử dụng trong thí nghiệm là loại F, có hàm lượng CaO dưới 6% theo tiêu chuẩn ASTM C618 Thành phần hóa học của tro bay được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 3.1 kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu

STT Các tiêu chí thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị Kết quả

2 Khối lƣợng thể tích xốp 1084

Chỉ số hoạt tính tuổi 7 ngày so với mẫu đối chứng

Chỉ số hoạt tính tuổi 28 ngày so với mẫu đối chứng

5 Hàm lƣợng mất khi nung

Từ đó ta thấy tỷ lệ SiO2 trên Al 2 O 3 của tro bay nàylà 1.62, hàm lƣợng CaO thấp nhƣng hàm lƣợng mất khi nung khá cao (9.63%)

Hình 3 1 Tro bay dùng trong thí nghiệm

Các chỉ tiêu vật lý: Khối lƣợng riêng: 2500 kg/m 3 , Độ mịn: 94% lƣợng tro bay lọt qua sàng có cỡ sàng là 0.08 mm

Thành phần muội silic trong bê tông chiếm khoảng từ 5- 15 % theo khối lƣợng xi măng

Hình 3 2 Silicafume dùng trong thí nghiệm Đề tài sử dụng Silicafume của hãng Castech có các tính chất vật lý đƣợc trình bày trong bảng sau:

Bảng 3.2 Các tính chất vật lý của Silicafume

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Đơn vị

1 Khối lƣợng riêng TCVN4030:2003 g/cm 3 2,10

2 Khối lƣợng thể tích xốp

3 Hàm lƣợng mất khi nung

Cần có các thí nghiệm xác nhận mức độ ảnh hưởng của chất bột khi sử dụng xi măng PCB40

Lượng xi măng cao trong bê tông có thể gây ra nhiệt độ tăng cao, do đó cần quy định giới hạn tối đa là 525kg xi măng cho mỗi mét khối bê tông.

Để đạt được cường độ cao hơn cho bê tông, cần sử dụng tỷ lệ N/X thấp (từ 0,35-0,26), giúp duy trì cường độ mà không làm tăng lượng xi măng quá mức, tránh các tác động tiêu cực như tỏa nhiệt nhiều và co ngót lớn.

Hình 3 3 Xi măng dùng cho thí nghiệm

Thí nghiệm sử dụng xi măng Insee, đây là loại xi măng đƣợc sử dụng phổ biến trên thị trường

STT Các chỉ tiêu Giá trị

1 Giới hạn bền nén không nhỏ hơn

Lƣợng sót trên sàn 0.08mm

Tỉ diện tích bề mặt

Bắt đầu không sớm hơn (phút)

Kết thúc không chậm hơn (phút)

Cốt liệu mịn là thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông, ảnh hưởng đến khả năng làm việc trong quá trình đổ HPC có thể được sản xuất từ cát tròn tự nhiên hoặc cát nghiền từ đá vôi, với mô đun độ mịn dao động từ 2,6 đến 3,2 Thành phần cốt liệu mịn cần tuân thủ tiêu chuẩn AASHTO.

- Cốt liệu mịn phải có hạt bền, cứng và sạch, không lẫn bụi, bùn, sét, chất hữu cơ và những tạp chất khác

- Việc phân tích thành phần hạt của cốt liệu mịn phải thực hiện theo TCVN 7576: 2005 [9] “Cát xây dựng- Yêu cầu kỹ thuật’’

Cát được sử dụng trong thí nghiệm là cát sạch từ sông Đồng Nai, có kích thước hạt thô Các tính chất cơ lý như khối lượng riêng, khối lượng thể tích và thành phần hạt đã được kiểm tra theo Tiêu chuẩn Việt Nam Trước khi sử dụng, cát được làm sạch và sấy khô Môdul độ lớn của cát là Mdl=2,104, với 95% lượng sót sàng thuộc loại cát hạt trung bình – nhỏ Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng riêng của cát là 2610kg/m³ và khối lượng thể tích là 1450kg/m³ Thành phần hạt của cát được trình bày trong bảng.

Bảng 3.4 Cấp phối hạt của cát

Sàng Lƣợng sót trên sàng Lƣợng sót tích lũy

Hình 3 5 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu nhỏ

Cốt liệu lớn thông thường được sử dụng là đá dăm

- Kích thước tối đa của cốt liệu không lớn hơn 25 mm để đảm bảo cường độ chịu nén

Kích thước lỗ sàng (mm)

Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

Sử dụng cốt liệu lớn với tỷ lệ lỗ rỗng thấp là phương pháp hiệu quả để sản xuất bê tông có cường độ nén cao, nhờ vào việc giảm lượng nước trong quá trình trộn mà vẫn đảm bảo khả năng thi công.

Cốt liệu nhỏ hơn là cần thiết để tạo ra mối liên kết chắc chắn giữa vữa và cốt liệu, đồng thời cho phép khoảng cách gần hơn giữa các thanh thép tăng cường.

Thể tích cốt liệu lớn trong bê tông cường độ nén cao (HPC) giúp giảm lượng nước cần thiết cho việc trộn mà vẫn đảm bảo khả năng làm việc Thể tích đá đã lèn chặt cho bê tông HPC thường nằm trong khoảng từ 0,65 đến 0,72 m³/m³.

Lượng ngậm các chất có hại và khả năng phản ứng kiềm cốt liệu trong sỏi hoặc đá dăm đều thấp hơn các quy định của TCVN 7572-2006 về cốt liệu cho bê tông và vữa.

Cốt liệu lớn đƣợc sử dụng trong thực nghiệm là đá có Dmax 20mm, khối lƣợng riêng: 2700 kg/m 3 , khối lƣợng thể tích: 1510 kg/m 3

Hình 3 6 Đường biểu diễn thành phần hạt của cốt liệu lớn Bảng 3.5 Tính chất cơ lý của đá

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả TN0

2 Khối lƣợng thể tích xốp g/cm3 1.68

3 Hàm lƣợng bụi, bùn, sét % 0.58

Kích thước lỗ sàng (mm) Đá dăm

Giới hạn thành phần hạt cát dùng trong XD theo TCVN 7576:2005

5 Hàm lƣợng hạt mềm yếu % 1.10

3.1.6 Phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR

PLACC-CR được sản xuất theo tiêu chuẩn TC 03: 2001 và đáp ứng yêu cầu về độ nở sunphát theo tiêu chuẩn ASTM C150 - 92 loại 5, phù hợp cho xi măng Poóc lăng bền sunphát.

Hàm lƣợng 2,0 - 3,0 kg cho 100 kg xi măng

Hình 3 8 Phụ gia Placc-cr dùng trong thí nghiệm

Nước sinh hoạt dùng để chế tạo hỗn hợp bê tông phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 4506 -2012 [11]

Cấp phối

Thiết kế thành phần cấp phối bê tông bao gồm tro bay và silicafume, kết hợp với phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR Cốt liệu lớn sử dụng đá có kích thước tối đa 20mm, trong khi cốt liệu nhỏ là cát vàng Tỷ lệ tro bay chiếm từ 10-20% khối lượng xi măng, và silicafume từ 5-10% khối lượng xi măng Phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR được sử dụng với hàm lượng 2-3% theo khối lượng xi măng, theo khuyến cáo của nhà sản xuất.

Thành phần cấp phối bê tông hạt mịn bao gồm việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay và silicafume, với tỷ lệ tro bay chiếm từ 10-20% và silicafume từ 5-10% tổng khối lượng xi măng Các cấp phối cụ thể được áp dụng là CP13, CP14, CP15 và CP16.

Các cấp phối bê tông có sự tham gia của phụ gia chống ăn mòn Placc-cr với tỷ lệ 2,0%, 2,5% và 3% bao gồm các cấp phối CP1, CP2, CP3, CP4, CP5, CP6, CP7, CP8, CP9, CP10, CP11, và CP12.

Thành phần cấp phối được sử dụng với hàm lượng chất kết dính cố định là 308 kg, trong khi hàm lượng phụ gia khoáng thay đổi từ 5-10% cho SF và 10-20% cho FA, kết hợp với phụ gia Placc-cr từ 2,0-3% Các mẫu cấp phối CP1 đến CP12 được so sánh với cấp phối CP17 (DC) và các cấp phối không có phụ gia Placc-cr như CP13, CP14, CP15, CP16 Mục tiêu là xác định độ bền và khả năng chống thấm của các mẫu khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn NaCl 10%, nhằm tìm ra cấp phối có tính chất tốt nhất để áp dụng vào các công trình thực tế, từ đó tăng thời gian sử dụng và giảm chi phí bảo trì Thông tin chi tiết được trình bày trong bảng 3.6.

Bảng 3.6 Khối lƣợng riêng của thành phần cấp phối:

Bảng 3.7: Bảng cấp phối thí nghiệm

STT Khối lƣợng riêng (kg/m 3 )

Lƣợng nước kg Tỉ lệ

% CP1 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 5,23 205 CP2 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 4,92 205 CP3 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 4,62 205 CP4 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 4,31 205 CP5 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 6,54 205 CP6 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 6,16 205 CP7 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 5,77 205 CP8 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 5,39 205 CP9 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 7,85 205 CP10 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 7,39 205 CP11 231 61,6 20% 15,4 5% 0,462 0,834 6,93 205 CP12 215,6 61,6 20% 30,8 10% 0,462 0,834 6,46 205 CP13 261,8 30,8 10 % 15,4 5% 0,462 0,834 205 CP14 246,4 30,8 10% 30,8 10% 0,462 0,834 205

Để xác định thành phần cấp phối, cần dựa trên nguyên tắc thể tích tuyệt đối với V = 1m³ Các nguyên liệu trong từng cấp được phân bổ theo tỉ lệ khối lượng tương ứng, đảm bảo tổng thể tích đạt 1m³.

- FA: tro bay lƣợng dùng từ 10 - 20 % thay thế xi măng

- SF: Silicafume dùng từ 5 - 10 % thay thế xi măng

- PG: phụ gia Placc-cr đƣợc dùng từ 2 %, 2.5%, 3.0%.

Phương pháp tạo mẫu và thí nghiệm

Sử dụng loại khuôn mẫu 100x200 (mm) để thực hiện và so sánh kết quả các thí nghiệm

Hình 3 9 Công tác chuẩn bị khuông mẫu tại phòng thí nghiệm

3.3.2.1 Nhào trộn và đúc mẫu

Trong quá trình sản xuất bê tông, cốt liệu cát được trộn với cốt liệu đá mi trong máy trộn Sau đó, xi măng được thêm vào trong quá trình nhào trộn Hỗn hợp nước và phụ gia chống ăn mòn PLACC-CR cũng được trộn đều và cho vào hỗn hợp bê tông đã được tính toán trước Quá trình nhào trộn diễn ra trong khoảng 3 phút để đảm bảo sự đồng nhất của hỗn hợp.

41 a) Cốt liệu nhỏ b) Cốt liệu lớn c) Silicafumer d) Tro bay e) Phụ gia Placc-cr f) Xi măng

Hình 3 10 Nguyên liệu dùng cho công tác đúc mẫu

Quy trình trộn, gia công mẫu nhƣ sau:

- Trộn : xi măng OPC, SF, FA, cốt liệu (các loại) trong máy trộn đảo, thời gian trộn: 60 giây,

- Thêm vào máy trộn 75% lượng nước cần thiết, trộn tiếp 60 giây;

- Thêm nốt 25% lượng nước cần thiết và phụ gia siêu dẻo vào máy trộn, trộn 30 giây

- Vữa bê tông đƣợc đổ khuôn, đầm trên bàn rung

- Mỗi cấp phối đúc 03 viên mẫu, tháo khuôn sau 24h

- Ngâm dưỡng mẫu trong nước cho đến ngày thử nghiệm

Hình 3 11 Quá trình nhào trộn và đúc mẫu

3.3.2.2 Dƣỡng hộ và thí nghiệm

Sau khi tĩnh định trong 48 giờ, các mẫu bê tông cần được tháo khuôn và dƣỡng hộ theo tiêu chuẩn TCVN 3105: 2007, quy định về việc lấy mẫu, chế tạo và bảo dƣỡng mẫu thử cho bê tông nặng Tiếp theo, các mẫu sẽ tiếp tục được tĩnh định trong 7 ngày tiếp theo để đảm bảo chất lượng và độ bền của bê tông.

Các mẫu được đo kích thước và cân để thu thập số liệu ban đầu trước khi ngâm vào dung dịch NaCl 10% Việc sử dụng dung dịch NaCl 10% giúp đánh giá khả năng chống ăn mòn của mẫu theo thời gian và tăng tốc quá trình thí nghiệm trong nghiên cứu luận văn.

Hình 3 12 Quá trình bão dƣỡng bê tông tại phòng thí nghiệm

Các mốc thời gian thí nghiệm được xác định là 0 ngày (trước khi ngâm mẫu), 60 ngày, 90 ngày và 140 ngày trong dung dịch NaCl 10% Tại mỗi thời điểm, các mẫu sẽ được lấy ra khỏi môi trường và lau khô.

44 sạch bằng khăn mềm và tiến hành cân, đo lại kích thước mẫu, đem mẫu đi nén để xác định cường độ chịu nén

Hình 3 13 Quá trình ngâm mẫu trong dung dịch NaCl 10%

3.3.3 Các phương pháp xác định

3.3.3.1 Độ linh động của hỗn hợp bê tông ( TCVN 3106-1993) Độ sụt là chỉ tiêu quan trong nhất của hỗn hợp bê tông, nó đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác động của trọng lượng bản thân hoặc rung động Độ lưu động được xác định bằng độ sụt của khối hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 3016-1993 [13]

Sử dụng thiết bị thử là côn Abrams tại phòng thí nghiệm trường

Hình 3 14 Quá trình chế tạo và kiểm tra độ sụt của mẫu thí nghiệm

3.3.3.2 Xác định cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm ( TCVN 3118-

Cường độ chịu nén là một trong những tính chất cơ bản và quan trọng nhất của bê tông, đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá chất lượng của vật liệu này Để xác định giới hạn cường độ nén của bê tông, mẫu thử có kích thước 100x200 mm được sử dụng theo tiêu chuẩn TCVN 3118-1993.

Hình 3 15 Thí nghiệm nén mẫu

Hình 3 16 Nén mẫu tại thời điểm 140 ngày ngâm trong dung dịch

Hình 3 17 Công tác nén mẫu tại phòng thí nghiệm

- Tính cường độ chịu nén của từng viên mẫu:

- Cường độ nén từng viên mẫu bê tông (R n ) được tính bằng (daN/cm 2 ) theo công thức:

- P- Tải trọng phá hoại (daN)

- F n - Diện tích chịu nén của viên mẫu (cm 2 )

- k- Hệ số tính đổi kết quả thử nén các viên mẫu bê tông kích thước khác nhau chuẩn về cường độ của viên mẫu kích thước 100x200 mm